第2章系統控制方案設計
2.1 控制單元基本原理
在我國傳統的提公升機裝置中，普遍使用tkd系統，這種控制系統是採用繼電器有觸點的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環調節。在繼電器控制系統中，要完成乙個控制任務，支配控制系統工作的「程式」是由各分立元件(繼電器、接觸器、電子元件等)用導線連線起來加以實現的，這樣的控制系統稱為接線程式控制系統。在接線程式控制系統中，控制程式的修改必須通過改變接線來實現。
如圖2.1所示是乙個繼電器控制系統。它是由繼電器、接觸器用導線連線起來以實現控制程式的，其輸入對輸出的控制通過接線程式來實現，輸入裝置(按鈕、行程開關、限位開關、感測器等)用以向系統送入控制訊號。
輸出裝置(接觸器、電磁閥等執行元件)用以控制生產機械和生產過程中的各種被控物件(電動機、電爐、電磁閥門等)。
圖2.1 繼電器控制系統框圖
幾十年來，這種控制系統由於受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現在：使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統體積大，執行雜訊大，功耗高，接線複雜，故障率高，工作穩定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短；在啟動過程中，由於罐籠的實際載重量不同，實際的加速過程並非按照預定的設計引數執行，常常出現停車不準確甚至提前停車現象；採用磁放大器做調節控制，穩定性差，線性度差，調速精度很難保證；系統安全保護環節不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查詢故障難度大，缺乏執行引數顯示功能；調速效能差，機械衝擊大，人員乘車舒適性差。
這些不足主要是因為採用繼電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續改善的餘地不大。如果對該豎井提公升機電控系統進行技術改造，那麼需要改變控制策略，採用當代高新實用技術來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動化程度高的電控系統。可程式設計序邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱plc，plc技術是現代工業自動化的重要手段，由它構成的控制系統邏輯控制由plc通過軟體程式設計實現，柔性強，控制功能多，控制線路大大簡化；plc的輸入/輸出迴路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護措施，程式執行為迴圈掃瞄工作方式，且有故障檢測及診斷程式，可靠性極高。
plc控制系統結構為模組化結構，維護更換方便，並可顯示故障型別。
圖2.2為可程式設計控制器控制系統。其輸入裝置和輸出裝置與繼電器控制系統相同，但它們是直接接到可程式設計序控制器的輸入端和輸出端的。
控制程式是通過乙個程式設計器寫到可程式設計控制器的程式儲存器中。每個程式語句確定了乙個順序，執行時依次讀取儲存器中的程式語句，對它們的內容進行解釋並加以執行，執行結果用以接通輸出裝置，控制被控物件工作。在儲存程式控制系統中，控制程式的修改不需要通過改變控制器內部的接線(即硬體)，而只需通過程式設計器改變程式儲存器中某些語句的內容。
圖2.2 可程式設計控制器控制過程系統框圖
可程式設計邏輯控制器因為其具有高可靠性以及軟體可程式設計的優點，在現代控制中越來越廣泛的應用。
對於一般提公升機電控系統來說，採用一套中小容量的plc即可滿足要求，其**也不高。如圖2.2所示，如果採用plc技術對tkd電控系統進行改造，把原來由各種電器通過連線而實現的邏輯控制改由plc通過軟體程式設計實現，則控制線路將大大簡化，裝置體積、裝置維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強，工作可靠性將大大提高，工藝改變時只需要改變控制程式即可。
改造時保持原有的操作方式、按鈕、開關、主令控制器作用不變，則使用者使用起來將非常方便，不需要適應期。同時可以利用plc的高速計數功能、網路通訊功能、故障檢測及診斷功能、訊號顯示功能等來增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，執行將更加平穩、準確，完全能夠滿足礦山生產的苛刻要求，而且投資相對較少，價效比較高，具有很強的實用價值。
2.2 控制系統總體設計
基於plc的礦井提公升機變頻調速控制系統由動力裝置、液壓站、變頻器、操作台和控制監視系統組成，其系統框圖如圖2.3所示：
圖2.3 控制系統框圖
系統框圖中各部分功能如下：
動力裝置：包括主電機、減速器、捲筒、制動器和底座，完**、物料的運輸任務。主電機通過減速器向捲筒提供牽引所需的動力。
對於礦井提公升機這樣的大型機械來說，在電機脫離電源後，由於執行慣性較大，往往要經過一段時間才能停止轉動，這將影響生產效率，甚至威脅到生產人員的生命安全和物料的運輸。因此必須在系統裡加入制動器，避免產生「蠕動」現象，從而保證運輸的人和物料的安全。
液壓站：為提公升機提供制動力，停車時先通過液壓站給捲筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提公升機起動時，先對電機施加直流制動，再鬆開機械抱閘，防止溜車，以保證系統安全可靠地工作。
變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的。
操作台：操作台設定兩個手柄，分別用於速度輔助給定及製動力給定。它是整個礦井提公升機運輸系統的控制核心，通過它可以設定系統的工作方式和控制方式，可以發布系統的各種控制命令，以實現對提公升機啟動、加速、平穩執行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。
控制監視系統：是操作人員和控制系統及運輸系統之間的橋梁，它可以**監測提公升機運輸系統的各種工作引數、工作狀態、故障引數和故障狀態。提公升過程監視與安全迴路一樣，是現代提公升機控制的重要環節。
提公升過程採用微機主要完成如下引數的監視：提公升過程中各工況引數(如速度、電流)監視；各主要裝置執行狀態監視；各感測器(如位置開關、停車開關)訊號的監視。使各種故障在出現之前就得以處理，防止事故的發生，並對各被監視引數進行儲存、保留或列印輸出。
甚至與上位機聯網，合併於礦井監測系統中。系統框圖中用旋轉編碼器來測試電機的轉速。
控制系統工作原理：當司機聽到開車訊號時，按下啟動按鈕，plc控制將380v動力電源接入變頻器。再鬆開液壓制動閘並將主令控制器推到正向（或反向），提公升機開始執行。
在提公升過程中，控制提公升機執行的主速度給定s形速度曲線由plc程式設計產生，經過a/d轉換，由模擬量輸出口輸出，以驅動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調整控制，也可根據現場的工況需要，由操作台速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，並將此訊號傳送給可程式設計控制器，plc通過該訊號可以累計計算提公升機的速度及行走距離，監視器可以時時顯示提公升機速度和位置。
2.3 可程式設計控制器（plc）介紹
可程式設計控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體整合技術、自動控制技術、數字技術和通訊網路技術發展起來的一種通用工業自動控制裝置。它面向控制過程、面向使用者、適應工業環境、操作方便、可靠性高，成為現代工業控制的三大支柱（plc、機械人和cad/cam）之一。plc控制技術代表著當前程式控制的先進水平，plc裝置已成為自動化系統的基本裝置。
2.3.1 plc的基本特點
可程式設計控制器（plc）的誕生給工業控制帶來革命性的飛躍，與傳統的繼電器控制相比有著突出的特點：
(1)靈活性、通用性強
繼電器控制系統如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨之作相應的變動，所有佈線和控制櫃極有可能重新設計，耗時且費力然而是利用儲存在機內的程式實現各種控制功能的。因此當工藝過程改變時，只需修改程式即可，外部接線改動極小，甚至可以不必改動，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。
(2)可靠性高，抗干擾能力強
繼電器控制系統中，由於器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現象是不可避免的，大大降低了系統的可靠性。而在控制系統中，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加之在硬體和軟體方面都採取了強有力的措施，使產品具有極高的可靠性和抗干擾能力可以直接安裝在工業現場穩定地工作。
plc在硬體方面採取電磁遮蔽、光電隔離、多級濾波等措施在軟體方面採取警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施，並利用後備電池對程式和資料進行保護,因此被稱為「專為適應惡劣的工業環境而設計的計算機」。
(3)程式設計簡單，使用方便
plc採用面向過程，面向問題的「自然語言」程式設計方式，直觀易懂，主要採用梯形圖和語句表編寫程式，使得廣大電氣技術人員更易接納和理解。同時設計人員也可根據自己的喜好和實際應用的要求選擇其他程式語言。標準是程式語言的標準，除了梯形圖和語句表之外，還存在順序流程圖、結構化文字和功能塊圖三種程式語言的表達方式。
乙個程式的不同部分可用任何一種語言來描述，支援複雜的順序操作功能處理以及資料結構。
(4)功能強大，可擴充套件
plc的主要功能包括開關量的邏輯控制、模擬量控制部分還具備控制或模糊控制功能、數字量智慧型控制、資料採集和監控、通訊、聯網及集散控制等功能。
plc的功能擴充套件也極為方便，硬體配置相當靈活,根據控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數，再相應修改使用者程式就可以達到變換和增加控制功能的目的。
2.3.2 plc的基本結構
plc實質是一種專用於工業控制的計算機，其硬體結構基本上與微型計算機相同，如圖2.4所示：
輸入訊號
輸出訊號
圖2.4 plc的基本結構圖
2.3.3 plc的工作原理
整個掃瞄過程分為內部處理、通訊操作、程式輸入處理、程式執行、程式輸出幾個階段，全過程掃瞄一次所需要的時間稱為掃瞄週期。內部處理階段，plc檢查cpu模組的硬體是否正常，復位監視定時器等。在通訊服務階段，plc與一些智慧型模組通訊、響應程式設計器鍵入的命令、更新程式設計器的顯示內容等。
當plc處於停止(stop)狀態時，只進行內部處理和通訊操作服務等內容。在plc處於執行(run)狀態時，從內部處理、通訊操作、程式輸入、程式執行、程式輸出，一直迴圈掃瞄工作。 (1) 輸入處理
也叫輸入取樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通電斷狀態，並將讀入的資訊存入記憶體中所對應的映像暫存器。在此輸入映像暫存器被重新整理。
接著進入程式執行階段，在程式執行時，輸入映像暫存器與外界隔離，即使輸入訊號發生變化，其映象暫存器的內容不會發生改變，只有在下乙個掃瞄週期的輸入處理階段才能被讀入資訊。 (2)程式執行
根據plc梯形圖程式掃瞄原則，按先左右後上下的步序，逐句掃瞄，執行程式。但遇到程式跳轉指令時則根據跳轉條件是否滿足決定程式的跳轉位址。使用者程式涉及到輸入輸出狀態時，plc輸出映像暫存器中讀出上一階段採入的對應輸入端子狀態。
根據使用者程式進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件暫存器中，對每個器件而言，器件映像暫存器中所存的內容，會隨著程式執行過程而變化。
礦井提公升機安全技術操作規程
一 礦井提公升司機崗位責任制 1 愛護裝置，經常保持裝置和工作地點的清潔 整齊 2 熟悉裝置的效能，嚴格執行操作規程和 冶金礦山安全規程 保證裝置的安全執行，當裝置發生不正常情況，及時處理有困難時，應立即報告上級 如遇有可能造成重大事故的緊急情況時，立即停車並報請上級處理 3 嚴格遵守交 制度，值班...
礦井提公升機與礦用提公升車安全要求
jb 8516 1997 中華人民共和國機械工業部1997 03 04批准 1997 10 01實施 前言 制定本標準的主要依據是 煤礦安全規程 1992年版 冶金地下礦山安全規程 1990年版 以及現行有關的礦山機械產品標準等。本標準為機械行業強制性標準。本標準自1997年10月1日起實施。本標準...
物料提公升機
物料提公升機的安全操作規定 1 安全裝置 安全裝置主要有起重機限制器 防墜安全器 上限位開關等。起重限制器 檔荷載達到額定起重量的90 時，限制器應發出警示訊號 檔荷載達到額定起重量的110 時，限制器應切斷上公升主電路電源，使吊籠制停。防墜安全器 吊籠可採用瞬時動作式防墜安全器，當吊籠提公升鋼絲繩...